Разработка и создание детекторов заряженных и нейтральных частиц для изучения редких распадов каонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Ершов, Николай Викторович

• Ершов, Николай Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ершов, Николай Викторович

1 Введение

2 Теоретическое обоснование и обзор экспериментальной ситуации.

2.1 СРТ-инвариантность и СР-нарушение в физике элементарных частиц 11 2.1.1 СР-нарушение в системе нейтральных каонов и В-мезонов

2.2 Кварковое смешивание и матрица СКМ.

СР-нарушение в Стандартной Модели.

2.2.1 Распад К^ —* 7г°гл/ в Стандартной Модели.

2.2.2 Распад К+ —♦ тт+ий в Стандартной Модели

2.3 СР-нарушение вне рамок Стандартной Модели.

3 Эксперименты по измерению редких распадов каонов

3.1 Измерение распада К+ —» 7г+^г/.

3.2 Эксперименты по измерению распада К+ —»тт+ий.

3.2.1 Детектор Е

3.3 Поиск редкого распада К° —»

3.4 Эксперимент КОРЮ

3.4.1 Детектор.

4 Конструкция пластических сцинтилляционных детекторов со спек-тросмещающими волокнами

4.1 Описание \УЬЗ-метода светосбора.

4.2 Экструдированные счётчики на основе полистирола.

4.3 Испытания отдельных пластин.

5 Детекторы заряженных и нейтральных частиц для эксперимента Е

5.1 Триггерные счётчики в эксперименте Е

5.1.1 Технология изготовления счётчика.

5.1.2 Фотоумножители

5.1.3 Параметры Т-счётчиков.

5.1.4 Эффективность Т-счётчиков.

5.1.5 Параметры Т-счётчиков в эксперименте.

5.2 Фланцевый фотонный детектор в эксперименте Е

5.2.1 Конструкция фланцевого детектора.

5.2.2 Технология сборки ФД.

5.2.3 Параметры фланцевого детектора.

6 Анализ экспериментальных данных Е

6.1 Поиск распада К+ —» 7г+г/Р.

6.2 Идентификация сигнала от распада К+ —» тг+ий и подавление основных фонов.

6.3 Новое значение вероятности распада К+ —> 7т+ий.

7 Модули вето-системы КОРЮ

7.1 Конструкция модуля

7.2 Прототипы вето-модулей.

7.3 Изготовленные детекторы

7.4 Световыход длинных модулей.

7.5 Временное разрешение.

7.6 Модуль С-типа.

7.6.1 Световыход.

7.6.2 Временное разрешение.

7.7 Основные параметры вето-модулей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и создание детекторов заряженных и нейтральных частиц для изучения редких распадов каонов»

Актуальность темы исследования

Детекторы заряженных и нейтральных частиц, разработанные в данной работе, предназначены для изучения фундаментальной проблемы СР-нарушения в кварковом секторе.

Современная теория физического строения мира, называемая "Стандартной Моделью", наиболее полно описывает картину современного мира путём описания состояния вещества и процессов взаимодействия между его составляющими. Свойства всех наблюдаемых частиц, таким образом, обуславливаются этими шестью составляющими компонентами, называемыми кварками и лептонами. К лептонам относятся: электрон (е), мюон (/х) и т-лептон (г). С тремя поколениями лептонов ассоциируется три типа нейтрино: ие, и ит. Различают 3 поколения фундаментальных частиц: первое поколение включает в себя и- и ¿-кварки, е и ие\ второе поколение состоит из с- и ¿-кварков, /л и третье поколение — и ¿^-кварки, т-лептоны и т-лептонное нейтрино. В рамках Стандартной Модели частицы связаны между собой с помощью 3-х основных взаимодействий: сильного, слабого и электромагнитного. Электромагнитные и слабые взаимодействия могут быть объединены одной теорией электрослабого взаимодействия — моделью Глэшоу-Вайнберга-Салама [1-3].

Ассиметрия между частицами и античастицами носит название СР-нарушения. В 1964 году было впервые открыто небольшое Ю-3) СР-нарушение в системе нейтральных каонов К0 — К0 [4]. СР-нарушение в Стандарной Модели вводится через единственную фазу матрицы смешивания кварковых ароматов (матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскава, или СКМ) [5,6]. В 1999-2001 г.г. появились подтверждения прямого СР-нарушения в системе нейтральных каонов [7-9]. С другой стороны, в 2001 г. было практически одновременно обнаружено СР-нарушение в системе более тяжёлых В-мезонов, предсказанное Стандартной Моделью, на двух экспериментальных установках (BaBaR и Belle) [10,11].

Редкий распад K°L —* 7г°ий является уникальным среди потенциально возможных, так как он происходит из-за прямого нарушения СР-инвариантности [12], обусловленного короткодействующим адронным током. К° является преимущественно чётной суперпозицией К0 и К0, поэтому в амплитуде распада остаётся только мнимая часть Vtrf ~ г/, где параметр г/ вводится как СР-нарушающая фаза в СКМ, и, как следствие этого, В(К° —♦ ~ rf [13-15]. Таким образом, наиболее точное измерение редкого распада К° —» tt°i/P, который происходит из-за прямого СР-нарушения, однозначно проверит СР-нарушение в СМ и даст наиболее точное значение СР-нарушающей фазы в СКМ.

Редкий распад К+ —► tt+i/P происходит исключительно за счёт слабого взаимодействия. В предсказании СМ этот распад сильно подавлен [16], и однозначно устанавливается связь этого распада с параметрами модели, которые описывают кварковое смешивание в матрице Кобаяши-Маскавы. Таким образом, этот процесс является чувствительным тестом Стандартной Модели и, одновременно, предоставляет хорошую возможность для получения точной информации о её параметрах. В частности, из-за большой величины массы f-кварка, вероятность распада К+ —* тг+ий чувствительна к чрезвычайно слабой связи t- и cf-кварков [17].

В долгосрочной перспективе, информация из К+ —» tx+vv может быть скомбинирована с измерением нейтрального аналога —► 7r'W, а последующее сравнение параметров, полученных в Л'-системе, с соответствующими параметрами, извлечёнными из В-системы, обеспечит решающую проверку Стандартной Модели [18,19]. Таким образом, измерение этих редких распадов каонов является одной из самых актуальных задач современной физики элементарных частиц и является фундаментальным тестом СР-нарушения в Стандартной Модели. Для измерения вероятности таких редких распадов с точностью 10-15% требуется проведение уникальных экспериментов со специально разработанными детекторами заряженных и нейтральных частиц. Прогресс, достигнутый в последние годы в разработке различных сцинтил-ляционных детекторов со спектросмещающими волокнами, позволил приступить к исследованию, а затем перейти к разработке и созданию таких детекторов большого объёма. Развитие методики создания таких детекторов является актуальной проблемой, поскольку аналогичные детекторы будут использоваться в следующем поколении ускорительных нейтринных экспериментов (например, Т2К), в которых необходимо измерять с высокой точностью нейтринные реакции с рождением нейтральных пионов.

Цель, научная новизна и методы исследования

Основная задача работы — это разработка детекторов заряженных и нейтральных частиц для экспериментов, которые должны проводить измерения вероятностей редких распадов К+ —+ -к+ий и К" —► тт°1/й на уровне, превосходящем предсказания Стандартной Модели: (0.82 ± 0.32) х Ю-10 и (3.1 ± 1.3) х Ю-11 [19], соответственно. Для измерения столь низкого уровня сигнала в экспериментах по измерению редких распадов К-мезонов, необходимо с максимально возможной точностью регистрировать искомые редкие распады, эффективно подавлять доминирующие фоновые моды каонных распадов и другие источники фоновых взаимодействий. Эффективность регистрации заряженных частиц должна составлять 99.98%. Учитывая крайне малую вероятность измеряемого распада, особую сложность представляет выработка алгоритмов распознавания и идентификации данной распадной моды па фоне других превалирующих мод распада. С точки зрения экспериментальной установки предъявляются повышенные требования на надёжность функционирования всех детектирующих элементов, особенно детекторов нейтральных частиц. Эффективность регистрации фотонов в установке должна быть на уровне теоретически возможного предела, определяемого фотоядерными реакциями, например, неэффективность регистрации фотона в широком диапазоне энергий в эксперименте КОРЮ должна составлять величину ~ Ю-4. Фотонные детекторы должны также обладать высоким временным, пространственным и энергетическим разрешением. Для этой цели был разработан, создан и испытан ряд сцинтилляционных детекторов, общей отличительной чертой которых является съём сигнала с помощью спектросмещающих оптоволокон. Детекторы обладают высоким световыходом, позволяющим эффективно регистрировать заряженные и нейтральные частицы в диапазоне энергий от 5 до 600 МэВ.

Практическая ценность

В данной работе разработан и создан ряд сцинтилляционных детекторов заряженных и нейтральных частиц со съёмом сигнала с помощью спектросмещающих волокон. Отработана технология изготовления как простых сцинтилляционных детекторов, так и более сложных детекторов "сэндвич"-типа большого объёма и различной конфигурации. Методика, разработанная в процессе создания детекторов, позволяет достичь высокого световыхода и высокой эффективности регистрации заряженных и нейтральных частиц. Получено высокое временное, пространственное и энергетическое разрешение.

Съём сигнала спектросмещающими волокнами и использование экструдированных сцинтилляторов облегчают создание детекторов сложной конфигурации и обеспечивают надежность функционирования экспериментальной установки. В работе представлены методические данные по способам и методам светосбора с помощью спектросмещающих оптоволокон, исследованы различные факторы, влияющие на световой выход пластического сцинтиллятора. Практическую ценность представляет разработанная методика изготовления экструдированных сцинтилляторов сложной формы.

Практическую ценность также представляет разработанный и применяемый метод контроля параметров детекторов заряженных частиц в процессе набора статистики на пучке положительно заряженных каонов в экспериментальной установке по измерению редкого распада К+ —► ir+ui>.

Разработанные детекторы заряженных и нейтральных частиц обладают уникальными параметрами и успешно используются в экспериментальной установке эксперимента Е949 по измерению редкого распада К+ —> х+ий на ускорителе AGS в лаборатории BHJI (США). Планируется также использовать детекторы данного типа в будущих экспериментах: КОРЮ (BHJI), по измерению редкого распада К" —» тг°ий , и Т2К, по измерению осцилляций нейтрино в веществе на строящемся сильноточном ускорителе протонов с энергией 50 ГэВ (JPARC, Япония). Методические и научные результаты, полученные в этой работе, могут быть использованы при создании детекторов в ИФВЭ (Протвино), ОИЯИ (Дубна), ИЯФ (Новосибирск), BHJI (США), Фермилаб (США), CERN, КЕК (Япония), других лабораториях и научных центрах.

Личный вклад

Автор принимал участие во всех этапах разработки, создания и измерения детекторов КОРЮ и Е949. Были выполнены работы по оптимизации и исследованию элементов детекторов — экструдированных пластиков со спектросмещающими опто-волокнами для сбора света. Была разработана технология изготовления длинных сцинтилляционных детекторов длиной до 4 м, покрытых химическим отражателем, как прямой, так и сложной изогнутой формы. Проведены исследования эффективности триггерных счётчиков в реальных условиях эксперимента Е949 для оценки аксептанса многослойного детектора заряженных частиц. Автором разработан алгоритм анализа эффективности триггерных счётчиков, проведён анализ фона распада К+ —> ir+vv от рассеяного в мишени 7г+ распада К+ 7Г+7Г° в кинематической области ниже пика этого распада, разработаны и созданы "сэндвич'-детекторы фотонов для эксперимента КОРЮ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработка и создание детекторов заряженных и нейтральных частиц на основе экструдированных пластических сцинтилляторов со спектросмещающими опто-волокнами для сбора сцинтилляционного света с параметрами, удовлетворяющими требованиям экспериментов по изучению редких распадов каонов.

2. Разработка и создание триггерных счётчиков и фланцевых детекторов фотонов для эксперимента Е949.

3. Разработка и создание прототипов детекторов фотонов в диапазоне энергий от 5 до 600 МэВ для эксперимента КОРЮ.

4. Методика изучения параметров созданных детекторов с помощью космических мюонов и в условиях реального эксперимента на пучке остановленных К+.

5. Измерение вероятности редкого распада К+ —> тт+ий в кинематической области выше пика фонового распада К+ —* 7г+тг° в эксперименте Е949.

Апробация работы

Непосредственно по материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ [20-24], кроме того, результаты исследований были неоднократно представлены в виде докладов, в том числе:

1. VIII Международной конференции по методике экспериментов на встречных пучках, Новосибирск, февраль-март 2002 г.

2. II школе-семинаре студентов и молодых учёных "Фундаментальные взаимодействия и космология", ИЯИ РАН, Москва, ноябрь 2003 г.

3. VIII Международном семинаре по ядерной физике и физике элементарных частиц на ускорителе JPARC, КЕК, Цукуба, Япония, август 2004 г.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из 8 Глав. Во Введении (Глава 1) излагаются цель и методы исследования; раскрываются актуальность, научная новизна и практическая ценность диссертации; перечисляются положения, выводимые на защиту, и приводятся фактические данные о работе и её апробации.

В Главе 2 рассматривается связь СРТ-инвариантности и СР-нарушения в физике элементарных частиц. Рассматриваются редкие распады К+ —► тт+ий и —» 7г°г/Р в рамках Стандартной Модели. Приводятся предсказания разных моделей на величину вероятности распадов К+ —► тх+ий и —> ^иР. Показан вклад В- и Л'-мезонной физики в измерение параметров унитарного треугольника, а также их возможный вклад в существование новой физики вне рамок Стандартной Модели.

В Главе 3 обсуждаются основные аспекты регистрации редких распадов К+ —» 7г+г/Р и К°ь —» 7Г°1/Р, такие как метод полной остановки каона до распада и метод времени пролёта, идентификация заряженных и нейтральных частиц из данных распадов, регистрация и подавление основних фонов. Описываются основные эксперименты по измерению редких распадов каонов, приводятся описания параметров детекторов Е949 и КОРЮ, в создание и функционирование которых автор внёс непосредственный вклад.

В Главе 4 подробно описываются общие принципы функционирования и конструкции сцинтилляционных детекторов со спектросмещающими оптоволокнами. Применяемый метод экструзии позволяет выпускать сцинтилляционные детекторы высокого качества с большой площадью поверхности, которая не требует дополнительной обработки. Химический метод нанесения отражателя на поверхность сцинтиллятора допускает последующую склейку поверхности сцинтиллятора с другим материалом, что позволяет изготавливать прочные модули детекторов. Технология экструзии и покрытия сцинтиллятора химическим отражателем была разработана на предприятии "Унипласт" (г. Владимир). Экструдированный сцинтиллятор не находил широкого применения из-за быстрого ослабления света, пока не развилась технология све-тосбора с помощью спектросмещающих волокон, где свет распостраняется на относительно короткие расстояния в пластическом сцинтилляторе до его захвата волокном. В оптоволокне сцинтилляционный свет переизлучается в более длинноволновой области спекта для его последующей транспортировки в фотоприёмник. Благодаря использованию оптоволкна для считывания сцинтилляционного света, достигается высокая однородность светосъёма вдоль длинной поверхности детектора (длиной более 4 м). Совокупное применение всех вышеизложенных методов позволяет изготавливать детекторы большого объёма для регистрации заряженных и нейтральных частиц. Данные детекторы обладают уникальними физическими свойствами, такими как высокий световыход, отличное временное и пространственное разрешение, что имеет решающее значение при их использовании в качестве высокоэффективних детекторов заряженных и нейтральных частиц.

В Главе 5 приводятся основные параметры изготовленных детекторов заряженных и нейтральных частиц для экспериментальной установки Е949. Эти детекторы были предложены и спроектированы для замены триггерных счётчиков многослойного детектора заряженных частиц и двух фланцевых детекторов нейтральных частиц вето-системы предыдущего эксперимента Е787. Основная цель при проектировании новых детекторов — это увеличение аксептанса существующей экспериментальной установки в диапазоне поиска сигнала от К+ —> 7г+1/Р. В отличие от старых, в новых детекторах была реализована технология съёма сцинтилляционного света с помощью спекросмещающих волокон и покрытия поверхности сцинтиллятора химическим отражателем для более плотного соприкосновения поверхностей детектора и отражателя. В результате была значительно увеличена эффективность регистрации, идентификации и разделения заряженных частиц из распадов основных фонов и искомого сигнала в эксперименте. Применение новых фланцевых детекторов для регистрации фотонов, летящих под небольшими углами в направлении оси пучка, позволило в 2 раза увеличить эффективность регистрации и подавления 7г°-мезонов из фоновых распадов при сохранени номинального аксептанса детектора. Основные параметры произведённых детекторов, такие как световыход и временное разрешение, контролировались непосредственно при изговлении счётчиков с помощью /3-источника и мюонов космических лучей. Сборка триггерных счётчиков в эксперименте контролировалась на пучке путём измерения эффективности регистрации заряженных частиц из распадов Л'+-мезонов в мишени. Измеренная эффективность осталась неизменной за всё время работы экспериментальной установки Е949 на пучке.

В Главе 6 описывается организация отбора физически ценных событий в анализе Е949, приводится величина ожидаемого уровня фона в области поиска сигнала от из распада К+ —► а также способность детектора к разделению уровней сигнала и фона в кинематической области поиска распада К+ —► 7г+ий выше пика распада К+ —> 7г+7г°.

В Главе 7 описываются разработанные модули для вето-детектора КОРЮ. Приводится описание технологии изготовления и сборки длинных пластин сцинтиллятора как простой, так и более сложной изогнутой формы. Модули детектора представляют собой сборку типа "сэндвич", состоящую из многих слоёв сцинтиллятора и свинца. Вдоль сцинтиллятора проложено оптоволокно для считывания сцинтилляционного света с детектора. Оптоволокна с двух концов модуля собираются в пучок для создания оптического контакта с фотоумножителем. Изготовленные детекторы были протестированы с помощью мюонов космических лучей. В результате были получены отличные физические параметры вето-модулей — это высокое энергетическое разрешение (световыход) и хорошее временное разрешение. Кроме того, измеренные характеристики детекторов остаются неизменными за продолжительное время наблюдения. Высокий световыход является решающим фактором использования детекторов данного типа в эксперименте для регистрации низкоэнергетичных фотонов. Полученное хорошее временное и пространственное разрешение модулей позволит в дальнейшем использовать эту дополнительную информацию для измерения координаты и направления фотона, зарегистрированного в вето-системе, с целью увеличения аксептанса экспериментальной установки в диапазоне поиска сигнала от распада К£ —> 7г°ий.

В Заключении (Глава 8) приводятся основные результаты и выводы, а также выражается благодарность тем, кто оказывал помощь и содействие при проведении работы.

Общий объём диссертации: 109 страниц, включая 62 рисунка, 18 таблиц и список литературы, состоящий из 101 ссылки.

Глава 2

Теоретическое обоснование и обзор экспериментальной ситуации.

В этой главе рассматривается связь СРТ-инвариантности и СР-нарушения в физике элементарных частиц. Рассматриваются редкие распады К+ —» 7г+ий и К° —► в рамках Стандартной Модели. Приводятся предсказания разных моделей на величину вероятности распадов К4" —► т:+уй и К" —► Показан вклад В- и

А'-мезонной физики в измерение параметров унитарного треугольника, а также их возможный вклад в существование новой физики вис рамок Стандартной Модели.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Ершов, Николай Викторович

Основные результаты по Т-счётчикам

1. Средняя эффективность регистрации заряженных частиц Т-счётчиками в центральной части составила 99%.

2. Небольшие изменения интенсивности пучка весной 2002 года не повлияли на эффективность регистрации, которая остаётся стабильной за всё время наблюдения.

3. Два неисправных конца волокон (счётчики 6 и 11) были исключены из схемы совпадений "И" и не повлияли существенным образом на эффективность совпадений в триггере слоёв 1 и 2 соответствующих секторов.

4. Пересечения между соседними секторами ЯЗ-детектора приводят к падению эффективности совпадений Т.2 на краях счётчиков на величину 3.7%.

5.2 Фланцевый фотонный детектор в эксперименте Е949

Два фланцевых детектора, размещённых в установке позади Сз1 детекторов (рис. 3.2), закрывают часть телесного угла и входят в вето-систему эксперимента Е949. Цель фланцевых детекторов (ФД) - регистрация фотонов, испущенных из мишени под малыми полярными углами. Старые ФД, используемые в эксперименте Е787, представляли собой сборки ''сэндвич"-типа из 25 слоёв пластического 5 мм сцинтилля-тора и 24 слоёв свинцовой фольги толщиной 1 мм. Радиационная толщина сборки составляет 4.6Х0. Светосбор осуществлялся с помощью набора изогнутых акриловых световодов и смесительного световода кубической формы, который непосредственно приклеен к торцам сцинтилляционных пластин. Моделирование такого детектора показало, что неэффективность регистрации фотонов в диапазоне энергий 30-250 МэВ составляет от 6 до 10%, главным образом из-за малой радиационной толщины. Фотоны проходили через ФД без взаимодействия в свинце. Основной целью модернизации ФД является увеличение эффективности регистрации фотонов, что позволит наиболее полно использовать возможности экспериментальной установки Е949 для подавления фоновых распадов КП2- В этой работе описан ФД, изготовленный для передней части установки Е949.

5.2.1 Конструкция фланцевого детектора

Внешний вид ФД в разобранном виде показан на рис. 5.14. ФД состоит из 25 сло

Рис. 5.14: Фланцевый фотонный детектор для эксперимента Е949. в 5 мм сцинтиллятора ВС404 (В1сгоп) и 24 слоёв свинцового конвертора толщиной 2 мм. Радиационная толщина равна 9А'о, т.е. в 2 раза больше по сравнению со старым ФД. Слой сцинтиллятора состоит из 12 клинообразных пластин, которые формируют 12 идентичных секторов (по 25 пластин) в азимутальной плоскости. Пластина показана на рис. 5.15. Светосъём осуществляется с помощью 16 двухслойных \VLiS волокон ВСР99-29АА (диаметр 1 мм), вклеенных в канавки. Все волокна каждого сектора заведены в разъём, как показано па рис. 5.16. Слой свинца выложен из двух полудисков толщиной 2 мм. Свинцовые слои уложены со сдвигом 30° по отношению к примыкающим слоям для того, чтобы щели между полудисками не перекрывались. Так как после конвертации фотона электромагнитный ливень распространяется в активный объём сцинтиллятора, то не существует нечувствительных направлений (проекционных мёртвых зон) для 7-квантов, вылетающих из мишени.

Сэндвич" механически зажат между алюминиевыми дисками с помощью стоек, как можно увидеть на рис. 5.14. Стойки, касающиеся торцов пластин, также предотвращают выпадение элементов из сборки, если давление прижима окажется недостаточным для сохранения целостности детектора.

Мы можем оценить предполагаемый световыход с пластины, учитывая результаты по Т-счётчикам, где использовались такие же сцинтиллятор и волокна, и принимая во внимание одинаковую плотность волокон на единицу площади сцинтиллятора для этих детекторов. Средний световыход Т-счётчика составляет Ат=23 ф.э./МэВ.

44.8 Г гч

Рис. 5.15: Пластина сцинтиллятора для фланцевого детектора и расположение канавок для вклейки \УЬБ волокон. В левом верхнем углу показано сечение канавки.

Ь8 волокна Разъем

Г''

Сцинтиллятор У

РЬ Тууек

Рис. 5.16: Схематический вид одного из 12 секторов фланцевого детектора.

Ослабление света волокном рассчитывается по формуле: ¿го ехр где 1т=4.8 м - длина волокон в Т-счётчике; ¿^£>=40 см - средняя длина волокон в ФД; ЬщЫ ~ длина ослабления волокна ВСР99-29АА, которая согласно таб. 4.1 равна 4 м. Подставляя параметры в формулу, мы получаем оценочную величину световыхода с одной пластины - 38 ф.э./МэВ.

5.2.2 Технология сборки ФД

Пластины сцинтиллятора были вырезаны из листов ВС404 толщиной 5 мм с точностью размера 0.1 мм. Так как лист отклоняется от номинальной толщины ±0.2 мм (диапазон от 4.8 до 5.2 мм), пластины отбирались по толщине в группы. Один слой выкладывался из пластин той же самой группы. Нарезка канавок и покрытие химическим отражателем осуществлялись по технологии, описанной в предыдущей главе. \\ГЬБ волокна нарезались кусками по 50-65 см. Все отрезки проверялись на гибкость, потому что была обнаружена повышенная хрупкость волокон в полученной партии от Вкгоп. Для этого отрезок осматривался визуально, а затем сгибался на цилиндре диаметром 5 см, чтобы проявить скрытые слабые места. Всего было отбраковано примерно 0.5% волокон. Один конец волокна полировался, затем на него напылялся алюминиевый слой в качестве отражателя. Сравнение различных типов отражателя на конце волокна (алюминизированное покрытие, алюминизированный майлар, фторопласт) не выявило преимущества одного из них, поэтому использовался наиболее технологичный тип - алюминизация. Результаты исследования различных отражателей приведены в таблице 5.9. Вклеивание волокон происходило по отработанной на Т-счётчиках процедуре, в два этапа, с подогревом до 40-45°С для ускорения затвердевания клея.

Чтобы избежать возможного эффекта диффузии свинца в пористый химический отражатель, слои свинца и сцинтиллятора разделяются диффузной бумагой Тууек. Тууек также работает как отражатель над вклеенными волокнами.

Наиболее сложной процедурой в сборке детектора является введение волокон в разъёмы, закрепленные на фланце. Если радиус изгиба волокна меньше 3 см, на оболочке развиваются мелкие трещинки, которые могут нарушить нормальное распространение света по волокну. Разрушение оболочки начинается примерно через 1 час после изгиба и заканчивается после 24-48 часов. Такое волокно способно проводить свет, но в долговременном плане возрастает вероятность разлома волокна. Для предотвращения напряжения в месте изгиба обычно волокна нагревают до 80

Заключение

В данной работе разработаны и созданы сцинтилляционные детекторы со съёмом сигнала с помощью спектросмещающих волокон. Отработана методика изготовления простых сцинтилляционных детекторов на основе экструдированных пластиков. Разработаны и созданы сложные детекторы фотонов "сэндвич"-^гипа, которые успешно используются в эксперименте по измерению редкого распада К+ —+ тг+^£>, и будут использованы в создаваемой установке КОРЮ для измерения распада К° —» ^иР. Разработанная методика позволяет достигнуть высокого световыхода и высокой эффективности регистрации заряженных и нейтральных частиц. Светосъём спектро-смещающими волокнами облегчает создание детекторов сложной конфигурации и обеспечивает надежность функционирования экспериментальной установки.

В работе были получены следующие основные результаты:

1. Предложены, разработаны и созданы триггерные счётчики для эксперимента Е949. Достигнуты следующие параметры: средний световыход 23.5 ф.э./МэВ, временное разрешение для минимально ионизирующих частиц ^=580 пс. В реальном эксперименте средняя эффективность регистрации заряженных частиц составила 99%.

2. Предложен, разработан и создан фланцевый фотонный детектор "сэндвич"-типа для эксперимента Е949. Средний световыход в каждом из секторов составил 43 ф.э./МэВ. Достигнутый в эксперименте фактор подавления фотонов в диапазоне энергий 30-250 МэВ составил величину ~ 10~3.

3. В результате модернизации установки Е949 осталось неизменным кинематическое разрешение детектора заряженных частиц при вдвое большей частоте остановок каонов в мишени эксперимента по сравнению с экспериментом Е787. Для 7г+ из распада К+ —> 7г+7г° импульсное, энергетическое и пространственное разрешения составили: 2.3 МэВ/с, 3.0 МэВ и 0.9 см, соответственно. Подавляющая способность вето-системы фотонов была увеличена в 2 раза и составила около Ю-6 при номинальном аксептансе детектора. Эффективность регистрации заряженных частиц увеличилась на 20%.

4. В результате анализа экспериментальных данных эксперимента Е949, набранных за 2001-2002 г.г., было зарегистрировано одно событие распада К+ —♦ в кинематической области выше пика от К^ Комбинированный результат экспериментов Е949 и Е787 составил величину В(К+ —> ж+ий) = х Ю-10, что согласуется с предсказанием Стандарной Модели в пределах экспериментальных ошибок.

5. Разработана методика создания сцинтилляционных детекторов больших размеров на основе экструдированных пластических сцинтилляторов. Съём сигнала осуществляется с использованием спектросмещающих волокон. Получены уникальные параметры детекторов: высокий световыход, хорошее временное и пространственное разрешение.

6. Разработаны и созданы "сэндвич'-детекторы, являющиеся модулями фотонного детектора эксперимента КОРЮ, как простой, так и более сложной изогнутой формы. Изготовлен и протестирован модуль С-типа — модификация длинного модуля, состоящая из пластин сцинтиллятора и свинца изогнутой формы, со съёмом света с помощью двухслойного спектросмещающего оптоволокна Кигагау У11. Световыход С-модуля составил 24 ф.э./МэВ и временное разрешение — 320 пс. Полученные параметры детектора являются уникальными, и он будет использован в КОРЮ в качестве высокоэффективного детектора фотонов.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность своему научному руководителю — Ю.Г. Куденко — за постановку задачи, полезные советы и критические замечания при подготовке диссертации, а также за создание творческой атмосферы в нашем научном коллективе.

Автор выражает особую благодарность О.В. Минееву за неоценимую помощь, интересные и стимулирующие обсуждения на всех этапах данной работы.

Выражаю свою глубокую признательность руководителю АО "Унипласт" В.А. Маяцкому и всему коллективу этого предприятия за многолетнее плодотворное сотрудничество при создании всех описанных в данной работе детекторов.

Выражаю свою искреннюю благодарность А. Хотянцеву, В.П. Ефросинину, М.М. Хабибуллину, Е. Шабалину и другим сотрудникам ИЯИ РАН.

Хотелось бы отметить чрезвычайно интересную и плодотворную работу с Л. Лит-тенбергом и С. Киттелем в коллаборациях Е926 и Е949, выразить благодарность всем членам этих коллабораций, особенно Е. Гарберу и Д. Франку, за поддержку и обсуждение результатов данной работы. ч г

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ершов, Николай Викторович, 2005 год

1. А. Мартин Ф. Хелзен. Кварки и лептоны: введение в физику частиц. М.: Мир, 1987.

2. Ф. Буксбаум Ю. Комминс. Слабые взаимодействия лептонов и кварков. М.: Энергоатомиздат, 1987.

3. Л.Б. Окунь. Лептоны и кварки. М.: Наука, Физматлит, 1990.

4. J.W. Cronin, R.Turlay, V.L. Fitch, J.H. Christenson. Evidedence for the 2tt decay. Phys. Rev. Lett., 13(4):138-140, 1964.

5. T. Maskawa M. Kobayashi. CP-violation in the renormalizable theory of weak interaction. Prog. Theor. Phys., 49(2):652-657, 1973.

6. N. Cabibbo. Unitary symmetry and leptonic decays. Phys. Rev. Lett., 10(12):531-533, 1963.

7. A. Alavi-Harati et al (The KTeV Collaboration). Measurements of direct CP-violation, CPT-symmetry, and other parameters in the neutral kaon system. Phys. Rev. Lett., 67(D):37, 2003.

8. A. Alavi-Harati et al (The KTeV Collaboration). Observation of direct CP-violation in Ks,l 7Г7Г decays. Phys. Rev. Lett., 83(l):22-27, 1999.

9. A. Lai et al (The NA48 Collaboration). A precise measurement of the direct CP-violation parametr. Eur. Phys. J., 22(C):231-254, 2001.

10. B. Aubert et al (The BaBaR Collaboration). Observation of CP-violation in the B°-meson system. Phys. Rev. Lett., 87(9):8, 2001.

11. K. Abe et al (Belle Collaboration). Observation of large CP-violation in the neutral B°-meson system. Phys. Rev. Lett., 87(9):7, 2001.

12. L. S. Littenberg. The CP-violating decay K£ -> тг°vv. Phys. Rev., D39:3322-3324, 1989.

13. A. J. Buras. A 1993 look at the lower bound on the top quark mass from CP-violation. Phys. Lett., B317:449-453, 1993.

14. G. Buchalla and A. J. Buras. The rare decays K+ —> n +vv and KL —* ¡¿+fi~ beyond leading logarithms. Nucl. Phys., B412:106-142, 1994.

15. W. J. Marciano and Z. Parsa. Rare kaon decays with 'missing energy'. Phys. Rev., D53:l-5, 1996.

16. C.S. Lim T. Inami. Prog. Theor. Phys., 65:297, 1981.

17. R. Fleischer A.J. Buras. Heavy Flavours II, page 65, World Scientific,1998.

18. G. Buchalla et al. Rev. Mod. Phys., 68:1125, 1996.

19. Gerhard Buchalla and Andrzej J. Buras. The rare decays K—► iruv, B—► XuD and B—> l+Г: An update. Nucl. Phys., B548:309-327, 1999.

20. V. V. Anisimovsky et al. Improved measurement of the K+ —♦ ■k+vv branching ratio. Phys. Rev. Lett., 93:031801, 2004.

21. O. Mineev et al. Photon sandwich detectors with WLS fiber readout. Nucl. Instrum. Meth., A494.-362-368, 2002.

22. Yu. G. Kudenko, L. S. Littenberg, V. A. Mayatsky, О. V. Mineev, and N. V. Ershov. Extruded plastic counters with WLS fiber readout. Nucl. Instrum. Meth., A469:340-346, 2001.

23. N. Yershov et al. Long sandwich modules for photon veto detectors. physics/0410080, 2004.

24. Л.И. Лапидус. Следствия СРТ-инвариантности и эксперимент. УФН, 95, вып. 4:657-668, 1968.

25. J.R. Batley et al (The NA48 Collaboration). A precision measurement of the direct CP-violation in the decay of neutral kaons into two pions. Phys. Rev. Lett., B544:97-112, 2002.

26. D. E. Groom et al. Review of particle physics. Eur. Phys. J., Cl5:l-878, 2000.

27. S. L. Glashow, J. Iliopoulos, and L. Maiani. Weak interactions with lepton-hadron symmetry. Phys. Rev., D2:1285-1292, 1970.

28. L. Wolfenstein. Parametrization of the kobayashi-maskawa matrix. Phys. Rev. Lett., 51:1945, 1983.

29. G. Isidori. K—» xvv decays and CKM fits. ECONF, C0304052:WG304, 2003.

30. A. J. Buras, F. Schwab, and S. Uhlig. Waiting for precise measurements of K+ —► r^vv and K°L -» iPuv decays. 2004.

31. A. J. Buras. Weak Hamiltonian, CP-violation and rare decays. 1998.

32. S. H. Kettell, L. G. Landsberg, and H. H. Nguyen. Estimate of B(K—» tti/P)|SM from Standard model fits to A(t). Phys. Atom. Nucl, 67:1398-1407, 2004.

33. M. Ciuchini et al. 2000 CKM-triangle analysis: A critical review with updated experimental inputs and theoretical parameters. JHEP, 07:013, 2001.

34. A. J. Buras. Minimal flavor violation. Acta Phys. Polon., B34:5615-5668, 2003.

35. A. J. Buras, P. Gambino, M. Gorbahn, S. Jager, and L. Silvestrini. Universal unitarity triangle and physics beyond the standard model. Phys. Lett., B500:161-167, 2001.

36. G. D'Ambrosio, G. F. Giudice, G. Isidori, and A. Strumia. Minimal flavour violation: An effective field theory approach. Nucl. Phys., B645:155-187, 2002.

37. C. Bobeth, T. Ewerth, F. Kruger, and J. Urban. Enhancement of B(B<id —> H+Li~)/B(BS —> in the MSSM with minimal flavour violation and large tan/?. Phys. Rev., D66.-074021, 2002.

38. G. Buchalla, A. J. Buras, and M. K. Harlander. Penguin box expansion: Flavor changing neutral current processes and a heavy top quark. Nucl. Phys., B349:l-47, 1991.

39. A. Masiero and O. Vives. CP-violation in SUSY. Nucl. Phys. Proc. Suppl., 99B:228-237, 2001.

40. A. J. Buras, A. Romanino, and L. Silvestrini. K—► itvv: A model independent analysis and supersymmetry. Nucl. Phys., B520:3-30, 1998.

41. G. Colangelo and G. Isidori. Supersymmetric contributions to rare kaon decays: Beyond the single mass-insertion approximation. JHEP, 09:009, 1998.

42. A. J. Buras, G. Colangelo, G. Isidori, A. Romanino, and L. Silvestrini. Connections between e'/e and rare kaon decays in supersymmetry. Nucl. Phys., B566:3-32, 2000.

43. Y. Nir and M. P. Worah. Probing the flavor and CP-structure of supersymmetric models with K-+ irvv decays. Phys. Lett., B423:319-326, 1998.

44. N. G. Deshpande, Dilip Kumar Ghosh, and Xiao-Gang He. Constraints on new physics from K-* txvu. Phys. Rev., D70:093003, 2004.

45. G. Barenboim, F. J. Botella, and O. Vives. Constraining models with vector-like fermions from FCNC in K- and P-physics. Nucl. Phys., B613:285-305, 2001.

46. D. Hawkins and D. Silverman. Iso-singlet down quark mixing and CP-violation experiments. Phys. Rev., D66:016008, 2002.

47. J. A. Aguilar-Saavedra. Effects of mixing with quark singlets. Phys. Rev., D67:035003, 2003.

48. S. Recksiegel A. J.Buras, R. Fleischer and F. Schwab. Anatomy of prominent B and I\ decays and signatures of CP-violating new physics in the electroweak penguin sector. Nuclear Physics B, 697:133-206, 2004.

49. A. J. Buras, T. Ewerth, S. Jager, and J. Rosiek. K+ —» ir+vv and K^ —» tt(W decays in the general MSSM. hep-ph/04 08142, 2004.

50. B. Bassalleck et al. E949 Proposal. BNL-67247, http://www.phy.bnl.gov/e949, 1999.

51. M. S. Atiya et al. A detector to search for K+ —* 7r+vi>. Nucl. Instrum. Meth., A321:129-151, 1992.

52. L. Littenberg. Rare kaon and pion decays, hep-ex/0212005, 2002.

53. J. Doornbos et al. Optics design and performance of LESB3, a two-stage separated 800-MeV/c kaon beamline. Nucl. Instrum. Meth., A444:546-556, 2000.

54. S. Adler et al. Further evidence for the decay K+ —> tt+vD. Phys. Rev. Lett., 88:041803, 2002.

55. S. C. Adler et al. Further search for the decay K+ —> ■n+vv. Phys. Rev. Lett., 84:3768-3770, 2000.

56. S. C. Adler et al. Evidence for the decay K+ n+uu. Phys. Rev. Lett., 79:22042207, 1997.

57. The CKM Proposal, http://www.fnal.gov/projects/ckm/documentation/public/proposal/, 2001.

58. D. Munday et al. Letter of intent to measure the rare decay K+ —» n+i/D at the CERN SPS. CERN-SPSC-2004-029.

59. M. Atiya, M. Ito, J. Haggerty, C. Ng, and F. W. Sippach. Wave form digitizing at 500 MHz. Nucl. Instrum. Meth., A279:180-185, 1989.

60. I. H. Chiang et al. Csl endcap photon detector for a K+ —» 7r+uu experiment at BNL. IEEE Trans. Nucl. Sci, 42:394-400, 1995.

61. D. A. Bryman et al. 500-MHz transient digitizers based on GaAs CCDs. Nucl. Instrum. Meth., A396:394-404, 1997.

62. E. W. Blackmore et al. Central tracking chamber with inflated cathode-strip foils. Nucl. Instrum. Meth., A404:295-304, 1998.

63. T. K. Komatsubara et al. Performance of fine-mesh photomultiplier tubes designed for an undoped-CsI endcap photon detector. Nucl. Instrum. Meth., A404:315-326, 1998.

64. T. Yoshioka et al. Upgrade of the LQ trigger system for BNL-E949. IEEE Trans. Nucl. Sci., 51:334-339, 2004.

65. E.A. Sovero et al. Proc. 1984 IEEE GaAs IC Symposium. 101, 1984.

66. A. Alavi-Harati et al. Search for the decay K° —♦ ii°vu using 7r° —* e+e~7. Phys. Rev., D61:072006, 2000.

67. J. Adams et al. Search for the decay K°L it°uu. Phys. Lett., B447:240-245, 1999.

68. Y. Grossman and Y. Nir. —> 7t0i/u beyond the Standard model. Phys. Lett., B398:163-168, 1997.

69. G. Redlinger. Plans for kaon physics at BNL. hep-ex/0408014, 2004.

70. Experiment E391a, http://www-ps.kek.jp/e391.

71. Y. Akune. Master thesis. Saga University, 2004 (in Japanese).

72. D. A. Bryman and L. Littenberg. Prospects for measuring K+ —> n+uu and K°L —» 7r<W at BNL. Nucl. Phys. Proc. Suppl, 99B:61-69, 2001.

73. G. S. Atoian et al. Lead scintillator electromagnetic calorimeter with wavelength shifting fiber readout. Nucl. lustrum. Meth., A320:144-154, 1992.

74. Ltd. Kuraray Co. Scintillating fiber products. Tech. Notes, 1994.

75. P. Melese. Shower-maximum detectors using scintillator strips and WLS fibers. Proc. of the SCIFI93 Workshop, Notre Dame, USA, pages 265-270,1993.

76. S. Jones et al. V. Hagopian, M. Bertoldi. Scintillators and fibers for calorimetry. Proc. 5th Int. Conf. on Calorimetry in High Energy Physics, BNL, pages 500-502, 1994.

77. K. Hara et al. Design of a 2x2 scintillating tile package for the SDC barrel electromagnetic tile/fiber calorimeter. Nucl. Instrum. Meth., A373:347-357, 1996.

78. R.J. Mountain. Monte carlo simulations of scintillating fiber optic waveguides. Proc. of Symp. on Detector Research and Development for the SSC, pages 278-280, 1990.

79. M. Booke et al. B. Bolen, L. Bolen. Study of the performance of scintillating tiles with WLS fiber readout. Proc. of the SCIFI93 Workshop, Notre Dame, USA, pages 492-496, 1993.

80. S. Aota et al. A Scintillating tile/fiber system for the CDF plug upgrade EM calorimeter. Nucl. Instrum. Meth., A352:557-568, 1995.

81. C. D'Ambrosio et al. Reflection losses in polystyrene fibers. Nucl. Instrum. Meth., A306:549-556, 1991.

82. A. Bross et al. S. Margulies, M. Chung. Effects of irradiation on Kuraray multiclad fibers. Proc. of the SCIFI93 Workshop, Notre Dame, USA, pages 421-430, 1993.

83. M. Bertoldi et al. V. Hagopian, E. Bartosz. Light yield and radiation hardness of scintillator-fiber system. Proc. 2nd Int. Conf. on Calorimetry in High Energy Physics, Capri, Italy, pages 575-580, 1991.

84. M. Mishina G. Apollinari, P. Barbaro. CDF end plug calorimeter upgrade project. Proc. 4th Int. Conf. on Calorimetry in High Energy Physics, La Biodola, Italy, pages 200-225, 1993.

85. K. Hara et al. Heat splicing of plastic fibers using a PEEK tube. Nucl. Instrum. Meth., A348:139-146, 1994.

86. G. W. Foster, J. Freeman, and R. Hagstrom. Scintillating tile/fiber calorimetry development at FNAL. Nucl. Phys. Proc. Suppl., 23A:92-99, 1991.

87. M. Chung and S. Margulies. Development of a multichannel fiber-to-fiber optical connector for the DO upgrade tracker. IEEE Trans. Nucl. Sci., 43:1153-1156,1996.

88. M. Chung and S. Margulies. Effects of stress and strain on scintillating and clear fibers. IEEE Trans. Nucl. Sci., 42:323-327, 1995.

89. R. Wojcik, B. Kross, S. Majewski, A. G. Weisenberger, and C. Zorn. Embedded wave shifting fiber readout of long scintillators. Nucl. Instrum. Meth., A342:416-435, 1994.

90. P. de Barbaro et al. Research and Development results on scintillating tile/fiber calorimetry for the CDF and SDC detectors. Nucl. Instrum. Meth., A315:317-321, 1992.

91. A. R Ivashkin, Yu. G. Kudenko, 0. V. Mineev, and J. Imatato. Scintillation ring hodoscope with IVLS fiber readout. Nucl. Instrum. Meth., A394.-321-331, 1997.

92. S. V. Belikov et al. Characteristics of the molded polystyrene scintillator for electromagnetic calorimeter of the PHENIX apparatus. Instrum. Exp. Tech., 39:498-505, 1996.

93. S. A. Belyanchenko et al. Photomultiplier with improved linearity on the base of FEU- 115. IFVE-95-12.

94. T. Inagaki, H. Hirayama, T. Sato, T. Shinkawa, and Y. Yoshimura. Detection inefficiency of a 10-mm thick plastic scintillation counter for 1-GeV/c ei, pi* and protons. Nucl. Instrum. Meth., A359.-478-484, 1995.

95. D. Jaffe. K+ — x+vD at hadron machines. ECONF, C0309101:THWP001, 2003.

96. T. Junk. Confidence level computation for combining searches with small statistics. Nucl. Instrum. Meth., A434:435-443, 1999.

97. A. Bodek and P. Auchincloss. Simple formulae for light yield considerations in the design of scintillator Fe and scintillator Pb sampling calorimeters. Nucl. Instrum. Meth., A357:292-295, 1995.

98. M. Adams et al. A Detailed study of plastic scintillating strips with axial wavelength shifting fiber and VLPC readout. Nucl. Instrum. Meth., A366:263-277, 1995.

99. Bicron Corporation. 12345 Kinsman Rd., Newbury, OH, 44065, USA.

100. A. Aloisio et al. Studies of decays with the KLOE detector at DAPHNE, hep-ex/0107020, 2001.